板坯連鑄輥中間部位軸承技術(shù)改進(jìn)

尹延榮，陳智勇，孟凡毅

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

板坯連鑄輥中間部位軸承技術(shù)改進(jìn)

尹延榮，陳智勇，孟凡毅

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠1#、2#連鑄機(jī)生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)由于扇形段連鑄輥不轉(zhuǎn)、連鑄輥斷，鑄機(jī)被迫停澆事故。為解決該問(wèn)題，引進(jìn)了新型軸承并改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，在沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)設(shè)備改造升級(jí)的情況下，解決了存在的難題，降低了成本，減少了非計(jì)劃停澆造成的損失。

連鑄機(jī)；扇形段；軸承

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠共有三臺(tái)奧鋼聯(lián)設(shè)計(jì)的板坯連鑄機(jī)，年產(chǎn)量達(dá)到500萬(wàn)t，為鞍鋼2150軋機(jī)輸出板坯，是重要的板坯生產(chǎn)基地。三臺(tái)連鑄機(jī)中，1#、2#鑄機(jī)于2008年投產(chǎn)，目前年產(chǎn)量達(dá)450萬(wàn)t。但在生產(chǎn)過(guò)程中，卻經(jīng)常出現(xiàn)由于扇形段連鑄輥不轉(zhuǎn)、連鑄輥斷，鑄機(jī)被迫停澆、更換扇形段的生產(chǎn)事故。

通過(guò)對(duì)事故下線的扇形段進(jìn)行解體、檢查發(fā)現(xiàn)，連鑄輥中間部位軸承經(jīng)常損壞，部分軸承壽命僅為兩個(gè)月左右，軸承的損壞直接導(dǎo)致扇形段輥縫超差、輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)，不僅耗費(fèi)了大量的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。針對(duì)此軸承損壞原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并采取了相應(yīng)措施，本文對(duì)此作一介紹。

1　連鑄輥中間部位軸承損壞原因分析

1.1軸承潤(rùn)滑情況

連鑄輥中間部位經(jīng)常損壞的軸承是SKF的CARB軸承C5020 V/C4 VM118。首先，對(duì)破損軸承檢查，觀察到軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂顏色為淡黃色，無(wú)變質(zhì)及板結(jié)現(xiàn)象，油量充足，因此，排除了潤(rùn)滑不良導(dǎo)致軸承破損的原因。

1.2失效軸承損壞狀態(tài)

收集了一些失效軸承，觀察到如下現(xiàn)象：

（1）失效軸承的內(nèi)外圈都有條狀摩擦痕，而且一般都偏向一側(cè)。軸承內(nèi)外圈狀態(tài)見(jiàn)圖1。

（2）滾動(dòng)體一般都有損傷，在滾動(dòng)體端節(jié)部有破損、缺肉。軸承滾動(dòng)體狀態(tài)見(jiàn)圖2（a）。

（3）外表看起來(lái)沒(méi)有明顯損壞的軸承，潤(rùn)滑油一點(diǎn)都沒(méi)有變色。在清洗完后在軸承滾道上也發(fā)現(xiàn)了明顯的條狀摩擦痕跡，說(shuō)明軸承滾動(dòng)體在內(nèi)外圈之間有軸向位移，且對(duì)內(nèi)外圈造成損傷，如果繼續(xù)惡化就會(huì)破損。如果用手推動(dòng)內(nèi)圈，使內(nèi)圈有一定軸向位移，就會(huì)出現(xiàn)軸承內(nèi)外圈鎖死狀態(tài)。軸承滾道上的摩擦痕跡見(jiàn)圖2（b）。

1.3軸承損壞原因分析

從軸承外圈損壞的現(xiàn)象上看，內(nèi)外圈輥道損傷偏在一側(cè)，多數(shù)滾動(dòng)體的端部有損傷，與其他典型軸承損壞形式不同。判斷應(yīng)為軸承產(chǎn)生較大的軸向竄動(dòng)及角位移，軸向竄動(dòng)使軸承滾動(dòng)體滑出滑道，同時(shí)軸承滾子在外圈滑道內(nèi)產(chǎn)生角位移，將軸承的間隙填死，使軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體處于抱死狀態(tài)。滾動(dòng)體端部受力，造成滾動(dòng)體材料剝落受損，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將整個(gè)軸承損壞。分析軸承同時(shí)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)及角位移的原因如下：

（1）軸承的橫向位移來(lái)自于輥?zhàn)拥臒崤蛎?，生產(chǎn)期間由于鑄坯達(dá)近900℃的高溫，很大一部分熱量要傳遞到輥?zhàn)由?，由于扇形段輥系處于浮?dòng)狀態(tài)，輥?zhàn)邮軣崤蛎浬扉L(zhǎng)，帶動(dòng)軸承內(nèi)圈產(chǎn)生位移，使軸承處于偏位狀態(tài)。CARB軸承雖然具有一定的軸向補(bǔ)償能力，但是一旦裝配或使用出現(xiàn)偏差，就會(huì)造成熱膨脹時(shí)軸承的偏位補(bǔ)償能力不足以抵消熱膨脹的伸長(zhǎng)量，導(dǎo)致軸承損壞。

（2）VAI設(shè)計(jì)的扇形段為芯軸輥套的三分節(jié)結(jié)構(gòu)，每次下線后輥套和芯軸分別進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的輥套通常會(huì)因磨損、焊接變形、修復(fù)等產(chǎn)生輥?zhàn)涌s短的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在所有的連鑄機(jī)上都有出現(xiàn)，而輥?zhàn)佑质莾蓚?cè)都是浮動(dòng)端的全浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。輥套縮短后就會(huì)造成中間兩個(gè)CARB軸承的定位偏差，由于該軸承具有軸向補(bǔ)償能力，在裝配時(shí)冷態(tài)仍然會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，裝配工人不會(huì)發(fā)覺(jué)。一旦上線溫度上升，熱膨脹后輥?zhàn)由扉L(zhǎng)與原有的定位偏差累計(jì)在一起就會(huì)產(chǎn)生軸承損害，一點(diǎn)點(diǎn)惡化最終造成死輥。

（3）2150鑄機(jī)原設(shè)計(jì)主要生產(chǎn)規(guī)格為130 mm厚的鑄坯，但目前生產(chǎn)的規(guī)格均為170 mm厚的鑄坯，加劇了芯軸變形量，造成角位移，與軸向位移疊加在一起更加劇了軸承的損壞。每個(gè)段位有32個(gè)CARB軸承，只要有一個(gè)裝配存在偏差就會(huì)影響整個(gè)段位。

SKF的CARB軸承雖然具有較大的抗軸向位移和抗角偏能力，但當(dāng)軸承同時(shí)出現(xiàn)軸向位移和角偏時(shí)，它的抗軸向位移能力、抗角偏能力就無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的抗軸向位移、抗角偏能力。SKF的CARB軸承特點(diǎn)決定了它對(duì)裝配精度的苛刻要求，而滿足這種要求就需要大量報(bào)廢舊輥軸，新增新輥軸，這種輥軸更新的速度無(wú)論從成本還是在扇形段使用周期上都是無(wú)法達(dá)到的。

2　改進(jìn)措施

研究國(guó)際其他知名軸承品牌的產(chǎn)品得知，TIMKEN公司的ADAPT軸承是針對(duì)CARB軸承的缺陷而改進(jìn)的產(chǎn)品。由于該設(shè)計(jì)同時(shí)具有抗軸向浮動(dòng)及抗偏心能力，完全能夠抵抗由于輥套的磨損、焊接變形、修復(fù)等原因造成的裝配偏差及連鑄坯熱輻射帶來(lái)的橫向竄動(dòng)，可以不改變?nèi)魏窝b配尺寸直接替代CARB軸承。而且，TIMKEN公司還針對(duì)鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠生產(chǎn)厚板坯時(shí)，由于載荷增加而造成的連鑄輥撓曲度增加、從而使軸承偏心，影響軸承使用壽命的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算及模擬試驗(yàn)，對(duì)滾子的外形做了改進(jìn)。

ADAPT軸承基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3看出，ADAPT軸承是由圓柱形內(nèi)圈與獨(dú)特修型的滾子和外圈組成。其外圈滾道是球面形狀設(shè)計(jì)，滾子是帶有特殊修型的弧線形設(shè)計(jì)，而內(nèi)圈滾道是平面形設(shè)計(jì)（圓柱體）。采用帶保持架的滿裝滾子設(shè)計(jì)，在得到最高承載能力的同時(shí)，確保滾子不會(huì)散落，安裝操作方便。

改進(jìn)后的ADAPT軸承具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）同時(shí)具有抗軸向浮動(dòng)和抗偏心能力。兩種能力相互獨(dú)立，互不干擾。最大偏心量為+/-0.5°，最小軸向位移為+/-6 mm。圖4為軸承同時(shí)具有抗軸向浮動(dòng)及抗偏心能力示意圖。從圖4可看出，軸承在實(shí)現(xiàn)最大軸向浮動(dòng)的同時(shí)，仍可獲得較大的抗偏心能力，反之亦然。這是由其獨(dú)特的內(nèi)外圈和特殊的滾子形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

ADAPT軸承軸向浮動(dòng)及偏心受力過(guò)程示意圖見(jiàn)圖5。圖5（a）為軸承三點(diǎn)式接觸示意圖。三點(diǎn)式接觸降低了滾動(dòng)體的偏斜，使軸承滾子接觸應(yīng)力均勻分布，具有較高的靜態(tài)徑向承載能力。圖5（b）為軸承受力偏心示意圖。當(dāng)有偏心存在的情況下，滾子對(duì)外圈的反作用力出現(xiàn)不平衡，滾子受到的載荷就會(huì)一端增加，另一端減少。圖5（c）為軸承重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)示意圖。由于滾子總是尋求載荷平衡，載荷高的一端的軸向組件會(huì)驅(qū)動(dòng)滾子運(yùn)動(dòng)，直至載荷重新平衡，滾子重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，軸向浮動(dòng)和偏心不會(huì)影響軸承的承載能力。在同時(shí)達(dá)到最大軸向浮動(dòng)和最大偏心時(shí)，承載能力不會(huì)降低，解決了傳統(tǒng)軸承軸向浮動(dòng)和抗偏心不能兼顧的不足，是連鑄機(jī)輥?zhàn)痈?dòng)端應(yīng)用的有效解決方案。

（2）滿裝滾子帶保持架的設(shè)計(jì)使得軸承具有高承載能力，同時(shí)防止?jié)L子在操作過(guò)程中散落。相比于CARB軸承，ADAPT軸承采用了帶保持架的滿裝滾子設(shè)計(jì)，能有效防止軸承拆卸過(guò)程中的滾子散落。而且滾子與保持架是集成式，這種結(jié)構(gòu)形式的好處是滾子不易散落，裝配極其方便，不需要任何裝配工具。SKF的CARB軸承拆卸過(guò)程中，滾子極易散落，使得整個(gè)軸承報(bào)廢，形成“一次性使用”。而ADAPT軸承不會(huì)發(fā)生滾子散落，軸承經(jīng)檢測(cè)合格可以再次使用，這與固定位調(diào)心滾子軸承類似。

（3）可分離的內(nèi)外圈設(shè)計(jì)使得軸承的安裝、檢查更方便。軸承使用一段時(shí)間后可以拆下，分別檢查內(nèi)外圈，合格的組件可以保留，與其它組件組合，繼續(xù)使用。例如，經(jīng)檢測(cè)合格的軸承A的內(nèi)圈可與經(jīng)檢測(cè)合格的軸承B的外圈配對(duì)，重復(fù)使用（A和B是同型號(hào)軸承），這是固定位調(diào)心滾子軸承所不具備的，不僅提高軸承的利舊率，還節(jié)省了軸承總體成本。

（4）接觸應(yīng)力分布模型顯示，軸承承受應(yīng)力水平依然處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。需要特別指出的是，因?yàn)閼?yīng)用條件是低速，設(shè)計(jì)上限適用于靜態(tài)載荷。隨著載荷的增加，外圈接觸應(yīng)力分布區(qū)域沿長(zhǎng)度方向上得到延伸。即使外加載荷很大，也能夠優(yōu)化應(yīng)力分布，峰值得到控制。

（5）ADAPT軸承的保持架及滾動(dòng)體采用表面滲碳，滲碳材料的應(yīng)用極大提高了軸承的強(qiáng)度，使得滾子表面堅(jiān)硬而內(nèi)芯柔韌度極高，大大提高了軸承的抗沖擊能力，避免由于保持架、滾動(dòng)體損壞而造成軸承的損壞，進(jìn)一步提高了軸承的可靠性。

CARB軸承和ADAPT軸承的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　CARB軸承與ADAPT軸承對(duì)比

由表1的對(duì)比可以看出，ADAPT軸承的特點(diǎn)就是針對(duì)同類產(chǎn)品的缺陷而進(jìn)一步調(diào)整后的產(chǎn)品，以適應(yīng)連鑄機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)。它同時(shí)具備抗偏心與軸向浮動(dòng)能力，完全可以避免由于軸向竄動(dòng)及輥芯同軸度少量偏差對(duì)軸承壽命的影響。

3　應(yīng)用效果

3.1延長(zhǎng)軸承使用周期

2014年，鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠試用ADAPT軸承，效果非常理想。原CARB軸承在線使用2～3個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)軸承研死，出現(xiàn)輥不轉(zhuǎn)、輥斷的現(xiàn)象，而ADAPT軸承在線使用12個(gè)月后，通鋼量達(dá)到200多萬(wàn)噸，仍在繼續(xù)使用。

3.2降低成本

使用12個(gè)月后的軸承沒(méi)有一個(gè)出現(xiàn)滾子散落，內(nèi)、外圈缺損的現(xiàn)象。下線后的部分軸承完全可以利舊，而且還可以分別挑選外圈、內(nèi)圈、滾2014年兩種軸承采購(gòu)成本對(duì)比見(jiàn)表2。

子重新組合成合格的軸承，利舊率大幅提高。而CARB軸承根本無(wú)法利舊。

表2　采購(gòu)成本對(duì)比表

由表2可以看出，ADAPT軸承比CARB軸承降低采購(gòu)成本153.94萬(wàn)元/a。

3.3減少非計(jì)劃停澆

2013年，因CARB軸承研死造成扇形段輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)被迫停產(chǎn)更換扇形段28次，每個(gè)扇形段下線后需重新整備才能繼續(xù)上線，此部分金額平均為20萬(wàn)元，設(shè)備費(fèi)用損失20萬(wàn)元×28個(gè)段=560萬(wàn)元。

每次停澆損壞中間包需要重新砌筑，每個(gè)中間包砌筑費(fèi)用約為2萬(wàn)元，全年中間包損失費(fèi)用為56萬(wàn)元。更換扇形段至少需停產(chǎn)1 h，板坯產(chǎn)量為375 t/h，板坯按2 000元/t計(jì)算，每次停澆就會(huì)帶來(lái)產(chǎn)量損失近75萬(wàn)元。

ADAPT軸承替代CARB軸承用于連鑄機(jī)后，每年減少非計(jì)劃停澆可節(jié)省費(fèi)用共635萬(wàn)元。

4　結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠采用TIMKEN公司的ADAPT軸承不需要進(jìn)行其它相關(guān)設(shè)備的改造升級(jí)，提高了扇形段的使用周期，沒(méi)有因軸承損壞造成扇形段非正常下線，保證了正常生產(chǎn)。設(shè)備檢修周期由每臺(tái)機(jī)每月一次延長(zhǎng)至每臺(tái)機(jī)兩月一次。而且ADAPT軸承可以利舊，大幅降低了采購(gòu)成本，另外，在減少非計(jì)劃停澆造成的損失方面每年可節(jié)省費(fèi)用635萬(wàn)元。

（編輯許營(yíng)）

Technological Improvement for Bearings in the Middle of Continuous Slab Casting Roller

Yin Yanrong，Chen Zhiyong，Meng Fanyi
（General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China）

Frequent troubles of forced stopping casting occur during casting operations of No.1 and No.2 continuous casting casters in No.4 Branch of General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.due to the non-rotation or breakage of continuous casting rollers at the sector sections of the casters.In order to solve the troubles，the new type of bearings is introduced and also its structure is further improved.The production practice shows that the trouble mentioned above is solved，the cost is reduced and the loss due to the unintended stopping casting is also cut down without upgrading and updating the relevant equipment.

continuous caster；sector section；bearings

TF703

A

1006-4613（2015）06-0048-04

2015-08-01

尹延榮，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)及控制專業(yè)。E-mail：yyr58327@163.com